LED热学参数测试研究
LED封装的热学研究
2.网格划分（Grid generation）
Once the model has been completed, the software automatically generates basic grids to each component called system grids. However, system grids might not be sufficient for a high thermal gradient surface. The choice of grids affects both the solution and the convergence speed.Therefore, grid dependency study was performed. In this study, a grid independent model was performed using structured and nonuniform grid spacing across the computational domain. Grid independent for the through hole LED was achieved at Nx= 56, Ny=53, Nz= 51, which resulted in 151,368 total grids. Figure 3 shows the graph of grid independence study for through hole LED.
六、敏感性分析（Sensitivity analyses） • 经过对LED封装模型的分析和基于对 热阻的计算可知影响LED热阻的因素 有热沉材料性能，引线框架的机构， PCB板的性能，还有影响热对流的空 气流通速度。在此只选择引线框架来 具体分析。
最新4.4 LED的热学特性
构安特性
二、热阻
仪器的工作原理
热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的 功率P之比
Rt h =( Tj-Tx)/P
(2)
式中，Tj为施加大小为P的加热功率脉冲后测 得的LED结温；Tx为热沉铝基板上的温度。
二、热阻
仪器的工作原理
Tx=To ΔVF =VTj-VTo 联立（1）（2）两式，消去=(Tj-Tx)
4.4 LED的热学特性
内容
一、引言 二、热阻及测量 三、LED的工作温度与存储温度
正向电压法二极管热阻测试
二、热阻
仪器的工作原理
半导体器件在恒定电流下LED的正向电压与温 度具有很好的线性关系
VTj=VTo +K(Tj-To)
(1)
式中，VTj、VTo分别是Tj和To时的输入电压；K 是热敏温度系数，它与芯片衬底材料、芯片结
得到热阻表达式Rt h =ΔVF/（K·P）
二、热阻
三、LED的工作温度与存储温度
工作温度：-30~80℃是指环境温度，与热阻有 关，pn结温度保持在100 ℃以下。
存储温度：-40~100℃，同时一般要求相对湿 度以不结露为准。No Condensed
LED灯具光学参数检测技术
分享：深圳洪润照明股份有限公司LED灯具光学参数检测技术LED光源与传统光源在物理尺寸及光通量、光谱、光强的空间分布等方面均存在很大差异，LED检测不能照搬传统光源的检测标准及方法。
【LED灯具光学参数的检测】1、发光强度检测光强即光的强度，是指在某一特定角度内所放射光的量。
因LED的光线较集中，在近距离情况下不适用平方反比定律，CIE127标准规定对光强的测量提出了测量条件A(远场条件)、测量条件B(近场条件)两种测量平均法向光强的条件，2种条件的探测器面积均为1cm2。
通常情况下，使用标准条件B测量发光强度。
2、光通量和光效检测光通量是光源所发出的光量之总和，即发光量。
检测方法主要包括以下2种：(1)积分法。
在积分球内依次点燃标准灯和被测灯，记录它们在光电转换器的读数分别为Es和ED。
标准灯光通量为已知Φs，则被测灯的光通量ΦD＝ED×Φs/Es。
积分法利用“点光源”原理，操作简单，但受标准灯与被测灯的色温偏差影响，测量误差较大。
(2)分光法。
通过光谱能量P(λ)分布计算得出光通量。
使用单色仪，在积分球内对标准灯的380nm～780nm光谱进行测量，然后在同条件下对被测灯的光谱进行测量，对比计算出被测灯的光通量。
光效为光源发出的光通量与其所消耗功率之比，通常采用恒流方式测量LED 的光效。
3、光谱特性检测LED的光谱特性检测包括光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数等内容。
光谱功率分布表示光源的光是许多不同波长的色辐射组成的，各个波长的辐射功率大小也不同，这种不同随波长顺序排列就称为光源的光谱功率分布。
利用光谱光度计(单色仪)和标准灯对光源进行比对测量获得。
色坐标是以数字方式在坐标图上表示光源的发光颜色的量。
表示颜色的坐标图有多种坐标系，通常采用X、Y坐标系。
色温是表示人眼看到的光源色表(外观颜色表现)的量。
光源发射的光与某一温度下绝对黑体发射的光颜色相同时，该温度即为色温。
在照明领域，色温是描述光源光学特性的一个重要参数。
东南大学物理学院-LED热学特性研究实验讲义
大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。
LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。
对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。
然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。
因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。
一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。
LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。
由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。
本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。
其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。
当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。
从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。
这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。
由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。
图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。
LED的参数及其测试技术
1、光通量
单位:流明/lm 符号: Φ 定义：发光体每秒钟所发出的光量的总和。 说明: 为表明光强和光通量的关系，发光强度 为1cd的点光源在单位立体角（1球面度） 内发出的光通量为1lm。
2、发光强度
单位: 坎德拉/cd (Candela) 符号I =Φ/Ω 定义： 光源在指定方向的单位立体角内发出的 光通量。（即：光照或照明灯具所发出的 光通量在空间选定方向上分布密度）
• •
• •
•
§. LED I-V 特性
• 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整 流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触 电阻。如图：
LED電流與電壓關系
• 當電壓超過一定值後﹐正向電流隨電壓迅速增加 而發光，不同顏色的LED電壓電流特性不同
积分球原理
B L o .
当在球心中心点燃一光源时， 在球壁B点上的照度为：
E
2 4 r 1
由于光源是各向异性的，因此式中的第一项会因球 壁上的位置不同而相差很大，这样对测量不利。故 光度球测量时在光源与测量点之间设置一块挡屏， 以挡去直射光，这样上式就变成
•
•
光强度、光照度和光亮度的区别？
专题七 LED的参数及其测试技术
刘康
信息科学与工程学院2008届毕业设计论文
课程内容
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 电学参数 光色学参数 光强与发光角度 热学参数
第一部分 电学参数的测量
对于LED器件，一般常用的电学参数主要有：正向直流 电流、正向直流电压、反向漏电流和反向电压等。 （1）正向工作电流 由于正向的电压变化不大，所以正向 电流变化时，一方面耗散功率的变化，另一方面会引起我 们最关心的发光强度的变化。因此，可以通过正向工作电 流说明器件的发光强度，或者就把它作为发光强度的一种 间接表示。 （2）正向工作电压 一般指在一定的正向工作电流条件下的 正向压降。随的变化而稍有变化，其值也与温度有关，随 着温度的上升有所下降。其值视LED器件所用的半导体材 料的不同而不同，一般在1.4V至4V之间。 （3）反向漏电流 反向漏电流是LED器件处于反偏置时的 漏电流。按LED的常规规定，习惯指反向电压在5V是的反 向漏电流。 （4）反向电压 当反向偏压一直增加使V大于时，则出现突 然增加而出现击穿现象。由于所用半导体化合物材料种类 不同，各种LED的反向电压也不同。
LED热特性和寿命的检测技术
LED热特性和寿命的检测技术摘要：热学特性和寿命是LED的两大重要性能，受到人们的高度重视，且二者之间存在关联。
然而，对这两大性能参数的检测却具有挑战性。
本文根据国内外相关标准的要求和最新研究，综合分析了LED热特性参数和寿命指标的检测要求和方法，同时介绍了国内外的先进检测设备及特点。
1 概述近年来，LED照明技术快速发展，在LED的光效、色温、显色性等光色指标备受关注的同时，LED的热学特性和寿命也越来越受到人们的重视，特别是热学特性，对LED光色电的性能和寿命有着显著的影响。
然而，对热学特性和寿命的检测具有挑战性。
LED的热学特性主要包括LED结温、热阻、瞬态变化曲线（加热曲线、冷却曲线）等。
结温是指LED的PN结温度，热阻是指LED散热通道上的温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED的散热能力，研究表明，LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效一般也越高，寿命越长。
检测热学特性的关键在于对LED结温的准确测量，现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温法测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够；另一种是通过温度敏感参数（temperature-sensitive parameter，简写为TSP）获取PN结温，这是目前较普遍的LED结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。
LED的寿命主要表现为它的光衰，通常把LED光输出衰减到初始光输出的70%或50%作为判断寿命失效的指标，即光通量维持寿命。
但由于LED是高可靠性器件，寿命一般都会超过几千小时甚至是一万多小时，直接测量等待光衰到指定值的做法在工业上的应用十分困难。
2 LED热学特性测试2.1 LED结温和热阻的测量美国EIA/JESD51 《Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages 》系列标准和国家标准SJ20788-2000 《半导体二极管热阻抗测试方法》、GB/T4023-1997《半导体器件分立器件和集成电流第2部分：整流二极管》、QB/T 4057-2010《普通照明用发光二极管性能要求》等国际国内标准都较为详细地介绍了通过温度敏感参数TSP测量结温和热阻的方法。
LED电学光学热学特性参数
LED主要参数及电学、光学、热学特性LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF的正向工作区IF 随VF指数上升IF = IS e qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。
1.3 最大允许功耗PF m当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。
LED热特性和寿命的检测技术
LED 热特性和寿命的检测技术
摘要：热学特性和寿命是LED 的两大重要性能，受到人们的高度重视，
且二者之间存在关联。
然而，对这两大性能参数的检测却具有挑战性。
本文
根据国内外相关标准的要求和最新研究，综合分析了LED 热特性参数和寿命
指标的检测要求和方法，同时介绍了国内外的先进检测设备及特点。
关键词：LED、热阻、结温、加速老炼、寿命
1 概述
近年来，LED 照明技术快速发展，在LED 的光效、色温、显色性等光色
指标备受关注的同时，LED 的热学特性和寿命也越来越受到人们的重视，特
别是热学特性，对LED 光色电的性能和寿命有着显着的影响。
然而，对热学
特性和寿命的检测具有挑战性。
LED 的热学特性主要包括LED 结温、热阻、瞬态变化曲线（加热曲线、
冷却曲线）等。
结温是指LED 的PN 结温度，热阻是指LED 散热通道上的
温度差与该通道上的耗散功率之比，用于表征LED 的散热能力，研究表明，LED 的热阻越低其散热性能越好，相应的LED 光效一般也越高，寿命越
长。
检测热学特性的关键在于对LED 结温的准确测量，现有的对LED 结温
的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温法测得LED 芯片表面的温度并
视其为LED 的结温，但是准确度不够；另一种是通过温度敏感参数（temperature-sensitive parameter，简写为TSP）获取PN 结温，这是目前较普遍的LED 结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。
LED 的寿命主要表现为它的光衰，通常把LED 光输出衰减到初始光输出。
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热阻基本概念
LED热学设计的目的在于预 言LED芯片的结温，所谓结 温是指LED芯片PN结的温 度。
热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率 之比
LED热学参数测试研究
Thermal Resisitance & Thermal Impedance
LED热学参数测试研究
瞬态和稳态热阻
LED结温测量的电试验法
在和相系低 正 关 数正向系,单向电数位电压K: 即流增C温时量/度m，成v-线P-电N性结压相温敏关升感。♣♣♣开开开正关关关向置置置电121压,,,加快快VH电速速流加加I上电M,加流测热I得M,电正测流向量I电正H,测压向量VFi。
电压VFf。 ♣ ΔVF=│ VFi-- VFf│
♣ 腔内尺寸为1 ft3,它与外部环境热隔离。通过前 面门可进入腔内部，提起插销后可打开门,插销放 置在腔外面。当完全闩栓住的时候，装在门上密 封材料被些微地压紧确保外部气流不进入腔内。 为测定腔内环境温度,把一个热电偶安装在后腔壁 上的塑料管内。它通常装备一个T型热电偶和超小 型联接器。
LED热学参数测试研究
path）中各个单个热阻之和。
JA
JS
SB
BA
JS
为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻。
SB
为反射腔，环氧树脂到印刷板间的热阻。
BA
为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻 JS
结温计算:
TJ TAP dJA
LED热学参数测试研究
多元LED热阻
多元LED产品的热阻可
以采用并联热阻的模型
➢半导体结与壳体或环境温度之间的 稳态条件需数秒或数分钟才能达到。 为提高效率,可以采用测量瞬态热阻 抗的方法。
➢定义在某一给定时刻的热阻为瞬态 热阻抗，瞬态热阻抗反映了传热体 的热惯性在热量传递的瞬变过程中 对热阻的改变。
LED热学参数测试研究
结－管壳热阻
PT T P T JC
J H
PfiJnCaPlTHJ
LED热学参数测试研究
LED热学参数测试研究
引言
LED器件的热学性能会直接影响到器件发 光效率、强度、光谱特性、工作稳定性和 使用寿命。因此对LED器件的热学参数进行 分析研究，采用标准化的方法进行测量， 满足检测中心和企业需要;同时为满足仲裁 测试、数据报告等组建公共测试平台, 开发 商业化的测量设备，这些都是半导体照明 工程中的一项关制环境的初始温 度稳定在接近室温的低温 (Tlow)状态，测量正向电压 Vlow。
JX
KVF IH VH
K a K b
LED热学参数测试研究
被测器件撤除加热电流的 瞬间，结温立即下降，但 是电压测K量 a和K读数需要一 定时间,因此 b 所获得的测 量数据有误差。通常要作 出被测器件的冷却曲线从 而对测量数据进行修正。
JX
KVF IH VH
K a K b
♣测速仪数字显示0.5m/s—
5m/s空气速度。 ♣试验区截面:20.3x20.3cm2 。
♣ T型热电偶固定在试验区中心
边墙上。
LED热学参数测试研究
LED热学模型
LED PN结内产生的LE热D热量学参从数测芯试研究片开始沿着下述热学通道传输：
LED热学模型
➢ 总热阻可以表示为从结－环境这一热路（thermal
流动空气环境热阻
JMA
♣固定在标准的热试验板上的芯片/管 壳组合在流动空气环境形成的热阻。
♣管壳顶上加热沉。 ♣可应用于测量计算在空气速度已知
的强迫对流环境的结温。
LED热学参数测试研究
WT-100 Wind Tunnel
♣测量流动空气(强迫对流)环境
芯片/管壳组合( JMA)和管
壳/热沉组合的热阻。 ♣空气从底部抽进从顶部排出。
来确定. 1
1 1
T_ o A t_ r a R r J l B a L y ( 1 E ) _ R J D B L( N E ) _ R D J B
R R R
J B
J S
S B
T_ o A 1 t_ r a R r J l B a L y ( 1 E ) 1 _ R J D B L( N E ) 1 _ R D J T B o _A tar_ lR r a J B yLE _E D N m _R i tJ B t
ΔTi =K·ΔVF TJ=TJi+ ΔTi
这里TJi是测量开始前LED结温 的初始温度。
LED热学参数测试研究
LED结温测量的电流电压波形
IM
选择至关重要。除取典 型值0.1,1.0,5.0,10.0毫
安外，可取伏安特性的
击穿点。
LED热学参数测试研究
热阻测试波形
LED热学参数测试研究
校准测量数据的冷却曲线
JA
H
T Ainitial
T Afinal
分别表示容器内一个限定 位T置Ainit的ial 热平衡初始和最终 温度。
LED热学参数测试研究
NC-100 Natural Convection Chamber
自然对流(静止空气) 热参数测量腔
LED热学参数测试研究
自然对流(静止空气)热测量腔
♣ 在标准化静止空气(对流)环境测量芯片/管壳( JA) 组合和管壳/热沉( JHS)组合的热阻օ
PTPifinnailTtPiianitlial
PH
H
PH
芯片耗散功率
♣ LED结到管壳之间形成的
热阻。
PH
♣要求一个无穷大热沉和管壳
顶面相接触。
TPinitial
T Pfin a l
热平衡初始管壳温度
热平衡最终管壳温度 JCPTHJ
TPfinalTPinitial PH
♣ 可以用内部嵌有热电偶的
大 块无氧铜替代。
1
1
1
T_ o A t_ r a R r J l B LE Da 热学L 参数测T y 试( 研o 1 究_ E ) A t_ a R r_ l R r a J J D BB yL E _ E D N m L _R i tJ B t( e N E r ) _ R D J B
C/mv
♣ 记录热沉的温度变化，达
到 稳态时测试。 LED热学参数测试研究
结－环境热阻
JA
♣ LED结到周围环 境形成的热阻。
♣测试时，器件放入 1立方英尺容器。
♣仅对自然对流冷却 环境估算结温有用。
T T T JA
JAPJTHJ
TAfAinfailTnAainlitiaAl initial PH
P P H